蘭炭循環(huán)流化床鍋爐燃燒性能模型

李靜淵，柯希瑋，蔣 苓，黃 中，張 縵

(清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

0 引 言

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，低階煤占我國煤炭儲(chǔ)量的55%以上[1]。近年來隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的不斷減少，低階煤以其豐富的資源儲(chǔ)備和低廉的價(jià)格在能源市場上占據(jù)重要位置。在眾多低階煤利用技術(shù)中，熱解分級(jí)利用技術(shù)是生產(chǎn)焦油的主要方式之一，但會(huì)產(chǎn)生大量半焦，稱為蘭炭，占原煤質(zhì)量的50%～70%[2]。蘭炭具有高固定碳、高比電阻、高化學(xué)活性等特點(diǎn)[3]，被廣泛用于冶金、化工電石、吸附等領(lǐng)域。但這些行業(yè)對(duì)蘭炭需求量有限[4]，如何高效利用過剩的蘭炭資源是實(shí)現(xiàn)煤炭梯級(jí)利用的重要一環(huán)。

考慮到蘭炭的低硫、高熱值特性，高效燃燒發(fā)電或供熱是規(guī)?；玫淖罴逊绞剑壳爸饕屑?nèi)糩5-9]和摻燒[10-12]2條技術(shù)路線。由于蘭炭的揮發(fā)分低，導(dǎo)致著火困難、燃盡率低，應(yīng)用于煤粉鍋爐存在一定困難。相比之下，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐更適合蘭炭的燃燒利用。

CFB鍋爐需要一定量的灰分構(gòu)成循環(huán)物料，而蘭炭灰分較低，相比常規(guī)高灰煤種，形成足夠的有效床料量存在一定困難[13]。近幾年CFB鍋爐技術(shù)快速發(fā)展，物料循環(huán)性能大幅提升，使用CFB鍋爐燃燒蘭炭成為可能。目前已有研究者在循環(huán)流化床試驗(yàn)條件下對(duì)蘭炭進(jìn)行研究。幺瑤等[14]利用循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，指出蘭炭循環(huán)流化床鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于形成物料循環(huán)；鞏志強(qiáng)[15]通過0.3 MW試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)流化特性良好，可形成均勻溫度場，并指出燃燒溫度是影響飛灰含碳量的主要因素，此外還在2 MW循環(huán)流化床試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了脫硝試驗(yàn)；張孝禹[16]在14 MW試驗(yàn)臺(tái)上研究了給料量和過量空氣系數(shù)對(duì)蘭炭循環(huán)流化床鍋爐的影響，降低過量空氣系數(shù)可減少蘭炭燃燒時(shí)NOx排放。此外，電廠中曾嘗試CFB鍋爐摻燒蘭炭[17]。但由于對(duì)蘭炭CFB鍋爐整體運(yùn)行情況還缺乏足夠的認(rèn)知，筆者借助一維CFB模型，研究蘭炭CFB鍋爐的燃燒性能，著重探究分離器效率和給煤粒徑分布的影響，并與燃燒褐煤的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行對(duì)比。

1 一維循環(huán)流化床鍋爐模型

采用清華大學(xué)開發(fā)的一維循環(huán)流化床鍋爐模型[14,18-22]。該模型的基本思想為：對(duì)物理過程進(jìn)行簡化處理，將流動(dòng)計(jì)算與化學(xué)反應(yīng)或能量平衡計(jì)算解耦，根據(jù)試驗(yàn)簡化得到的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式求解爐內(nèi)固體顆粒的濃度分布、循環(huán)流率等信息，從而描述穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的宏觀狀態(tài)。同時(shí)忽略爐內(nèi)橫向氣體擴(kuò)散，僅考慮軸向的流動(dòng)和返混。此外，模型對(duì)實(shí)際鍋爐進(jìn)行簡化，僅保留鍋爐爐膛、分離器、返料閥等主體部件，在模型中將鍋爐劃分為密相區(qū)、飛濺區(qū)、稀相區(qū)和分離器4部分，其中將爐膛劃分為若干個(gè)小室進(jìn)行計(jì)算，并假設(shè)各小室內(nèi)部具有均一的速度、溫度、濃度等物理量。計(jì)算模塊共分為5個(gè)：灰平衡、煤熱解及煤顆粒平衡、焦炭反應(yīng)及焦炭平衡、石灰石反應(yīng)、均相反應(yīng)。其中質(zhì)量平衡是模型的核心，包括煤、灰、焦炭等固體物料的質(zhì)量平衡和揮發(fā)分、燃燒產(chǎn)物等氣體組分的質(zhì)量平衡。

采用該模型計(jì)算可以獲得物料平衡結(jié)果以及熱態(tài)計(jì)算結(jié)果。在物料平衡結(jié)果中包括初始灰的顆粒分布，各粒徑灰分和焦炭的停留時(shí)間，飛灰、循環(huán)灰和底渣的粒徑分布，飛灰量、循環(huán)灰量和排渣量，各小室內(nèi)的流速、床壓、空隙率等；熱態(tài)計(jì)算結(jié)果主要包括脫硫效率，飛灰、底渣含碳量，分離器出口各種煙氣組分的濃度分布以及各小室反應(yīng)的放熱量和溫度等。

2 模擬對(duì)象及參數(shù)

2.1 鍋爐對(duì)象選擇

選擇某116 MW循環(huán)流化床鍋爐為模擬對(duì)象。鍋爐結(jié)構(gòu)及模型結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示(P(T)表示壓力(溫度)測(cè)點(diǎn))。鍋爐燃用的蘭炭粒徑為0～10 mm，循環(huán)流化床鍋爐所燃用的蘭炭的工業(yè)分析和元素分析見表1，蘭炭灰的成分分析見表2。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of the semi-coke fired CFB boiler

由表1可知，蘭炭和原煤差別較大，蘭炭灰分較低，僅為12.03%，而固定碳含量高達(dá)66.23%，且熱值較高(25.04 MJ/Kg)。由表2可知，蘭炭灰中的主要元素為Ca、Si、S、Fe、Al等。

表1 蘭炭的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of semi-coke

表2 蘭炭灰的主要元素及成分Table 2 Major elemental components of ash

2.2 模擬參數(shù)選擇

循環(huán)流化床鍋爐最基本特征是有一定的床料來建立物料平衡，物料平衡是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，絕大多數(shù)床料來自于給煤的含灰組分，因此煤的成灰特性是物料平衡的重要參量[23-24]，也是模型中物料平衡模塊的重要輸入?yún)?shù)之一。有必要了解蘭炭的成灰和磨耗特性，根據(jù)蘭炭的成灰特性確定合理的給煤粒徑，使鍋爐爐膛內(nèi)形成合理的物料濃度分布，從而保證良好的燃燒效率。蘭炭中無矸石類顆粒，灰分均勻分布在煤顆粒中，蘭炭生產(chǎn)過程中經(jīng)過一次碎裂只是將較大的原煤變成較小的焦炭顆粒，蘭炭的成灰和磨耗特性與原煤相似，因此采用原煤的成灰數(shù)據(jù)代表蘭炭的成灰特性。

另一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)為蘭炭的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，雖然已有許多針對(duì)蘭炭燃燒動(dòng)力學(xué)的研究，但對(duì)于不同原煤以及制作工藝所得到的蘭炭燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異較大，需要通過試驗(yàn)確定。本文采用熱重分析方法對(duì)蘭炭進(jìn)行燃燒特性分析。根據(jù)程序升溫法得到反應(yīng)活化能為71.45 kJ/mol。

為分析給煤粒徑對(duì)燃燒性能的影響，選取不同給煤粒徑分布進(jìn)行模擬。煤經(jīng)破碎后的粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布[25]：

(1)

其中，P為質(zhì)量分布;d為顆粒粒徑;α為粒徑分布的離散程度，α越小說明粒徑分布范圍越寬，根據(jù)蘭炭顆粒的粒徑分布測(cè)試結(jié)果，確定α值為0.936 1；d′為特征粒徑，表示累計(jì)質(zhì)量分布達(dá)63.2%所對(duì)應(yīng)的粒徑，代表整體粒徑分布的大小，選取不同d′構(gòu)造得到一系列給煤粒徑分布，并控制給煤粒徑在0～10 mm。

為探究分離器效率對(duì)蘭炭CFB鍋爐燃燒性能的影響，在不同的分離器效率下進(jìn)行計(jì)算。分離器的分級(jí)分離效率簡化為

(2)

其中，κj為分離器對(duì)j檔顆粒的分離效率；dj為j檔顆粒的粒徑，d50和d99分別為飛灰的中位粒徑和切割粒徑，本文選取d99=5d50。計(jì)算中，設(shè)置3種工況：d50=10、15、20 μm。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

循環(huán)灰和底渣的粒徑分布模型預(yù)測(cè)與現(xiàn)場取樣測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖2所示，爐膛內(nèi)溫度分布如圖3所示?？芍诖罅椒秶鷥?nèi)模擬值和實(shí)測(cè)值吻合良好，證明了模型的可靠性。蘭炭灰分低，灰顆粒粒徑分布較細(xì)，但該循環(huán)流化床鍋爐依然能夠長時(shí)間維持較好的物料循環(huán)性能，這得益于高性能的分離器和高自平衡的返料器，從而建立了相對(duì)穩(wěn)定的物料平衡。

圖2 循環(huán)灰和底渣粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of circulating ash and bottom ash

圖3 沿爐膛溫度分布Fig.3 Temperature distribution along the furnace height

值得注意的是，模擬結(jié)果顯示蘭炭燃燒過程中SO2排放量為0，通過對(duì)比蘭炭中S含量和灰分中S含量，發(fā)現(xiàn)幾乎所有S都以CaSO4等無機(jī)鹽的形式留在灰分中，說明蘭炭具有較強(qiáng)的自脫硫能力。

3.2 分離器效率的影響

分離器效率對(duì)燃燒性能的影響如圖4、5所示。分離器效率降低時(shí)，較細(xì)的灰顆粒因難以被捕捉而形成飛灰，飛灰整體粒徑分布向粗顆粒方向移動(dòng)，飛灰中位粒徑由10 μm增加到50 μm。由于更多的灰顆粒形成飛灰，飛灰含碳量增加，而底渣含碳量無明顯變化。可用機(jī)械未完全燃燒熱損失Q4代表飛灰和底渣中含碳量，由于鍋爐飛灰量是底渣量的數(shù)倍，分離器效率降低時(shí)，鍋爐的機(jī)械未完全燃燒熱損失增加，燃燒效率下降。同時(shí)，由于飛灰量增加，循環(huán)流率下降，導(dǎo)致爐內(nèi)物料濃度降低，鍋爐傳熱能力下降，焦炭燃燒產(chǎn)生的熱量難以被帶到爐膛上部，引起爐內(nèi)溫度分布不均，甚至局部超溫。因此，為滿足循環(huán)量需求，保證爐內(nèi)物料濃度分布合理，溫度分布均勻，提高鍋爐燃燒效率，要采用較高效率的分離器，建議d50取10 μm為宜。

圖4 分離器效率對(duì)燃燒效率的影響Fig.4 Effect of cyclone efficiency on combustion efficiency

圖5 不同分離器效率下沿爐膛高度方向溫度分布Fig.5 Temperature distribution under different cyclone efficiency

3.3 給煤粒徑的影響

為驗(yàn)證給煤粒徑對(duì)蘭炭CFB鍋爐燃燒性能的影響，設(shè)置4種不同粒徑分布，給煤1～4的粒徑分布逐漸向粗顆粒方向移動(dòng)，不同給煤粒徑分布以及實(shí)際給煤分布情況如圖6所示。在分離器效率一定的情況下，如果減小整體給煤粒徑，爐內(nèi)灰顆粒平均粒徑減小，更多細(xì)顆粒被氣流帶到爐膛上部，參與循環(huán)的顆粒量略有增加，循環(huán)流率增加，如圖7所示。循環(huán)流率的增加使?fàn)t內(nèi)物料濃度增加，傳熱系數(shù)隨物料濃度的增加而增加，在負(fù)荷一定的情況下鍋爐釋熱量不變，傳熱系數(shù)增加會(huì)在一定程度上降低床溫。由于顆粒平均粒徑減小，飛灰因停留時(shí)間較短無明顯變化，而底渣由于排渣停留時(shí)間略有增加。

圖6 不同給煤粒徑分布Fig.6 Semi-coke particle size distribution

圖7 不同給煤粒徑下的鍋爐循環(huán)流率變化Fig.7 Circulation rate in different particle size distributions

在停留時(shí)間和溫度的綜合作用下，給煤粒徑減小，飛灰含碳量增加，底渣含碳量減少，總?cè)紵式档?，如圖8所示。

圖8 不同給煤粒徑下飛灰和底渣含碳量Fig.8 Carbon content of fly ash and bottom ash in different particle size distribution

此外，給煤粒徑變化也會(huì)影響NOx排放量。減小給煤粒徑使密相區(qū)顆粒粒徑減小，流經(jīng)乳化相的空氣量減少，強(qiáng)化還原性氣氛，同時(shí)稀相區(qū)顆粒濃度增加強(qiáng)化了顆粒團(tuán)聚，達(dá)到強(qiáng)化還原性氣氛的作用。因此，減小給煤粒徑降低NOx排放，如圖9所示。發(fā)現(xiàn)減小給煤粒徑可降低NOx排放，但會(huì)導(dǎo)致燃燒效率略降低。

圖9 給煤粒徑對(duì)燃燒效率和NOx排放量的影響Fig.9 Effect of particle size distribution on combustion efficiency and NOx emission

給煤粒徑對(duì)燃燒效率的影響并不十分顯著，但對(duì)NOx排放量的影響較大。將實(shí)際給煤粒徑下的計(jì)算結(jié)果與給煤1～4進(jìn)行對(duì)比，可考慮減小粗顆粒占比以減少NOx生成，同時(shí)減小0.5 mm以下細(xì)小顆粒來提高燃燒效率。

3.4 燃煤性質(zhì)的影響

蘭炭在燃料特性方面與其他常規(guī)煤種存在差異，為探究蘭炭循環(huán)流化床鍋爐的燃燒性能，另選取一印尼褐煤，揮發(fā)分為34.3%，將二者的燃燒情況進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。在相同工況條件下，蘭炭循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)溫度高于燃燒褐煤，這主要是由于蘭炭固定碳含量較高、熱值較高。

圖10 不同燃料下鍋爐內(nèi)溫度分布Fig.10 Temperature distribution in CFB boiler burning different fuels

蘭炭和褐煤燃燒時(shí)的灰渣含碳量和污染物排放情況見表3。

表3 蘭炭與褐煤燃燒結(jié)果的對(duì)比Table 3 Comparison of semi-coke and lignite combustion

蘭炭燃燒時(shí)飛灰和底渣的含碳量高于褐煤，這是由于蘭炭燃燒反應(yīng)活性低于褐煤，機(jī)械未完全燃燒熱損失可綜合表達(dá)灰渣含碳量，也代表了燃燒效率，蘭炭燃燒時(shí)燃燒效率低于褐煤燃燒。對(duì)比污染物排放量發(fā)現(xiàn)蘭炭燃燒時(shí)SO2排放量很低，幾乎沒有生成SO2，NOx排放量也遠(yuǎn)低于褐煤，但仍需通過煙氣脫硝的方式來達(dá)到污染物排放的要求。

4 結(jié) 論

1)利用一維CFB鍋爐模型對(duì)蘭炭循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)分析了分離器效率、給煤粒徑對(duì)鍋爐燃燒性能的影響。發(fā)現(xiàn)分離器效率對(duì)鍋爐性能影響顯著，提高分離器效率增加循環(huán)量，可使床溫趨于均勻，建議飛灰中位徑在10 μm左右為宜。

2)基于蘭炭的成灰特性，設(shè)置不同給煤粒徑考察其對(duì)鍋爐燃燒性能的影響。降低給煤粒徑會(huì)使鍋爐燃燒效率略下降，同時(shí)NOx排放量明顯下降。建議在實(shí)際給煤粒徑分布的基礎(chǔ)上減小粗顆粒占比以減少NOx生成，同時(shí)減小0.5 mm以下細(xì)小顆粒來提高燃燒效率。

3)通過與燃燒褐煤對(duì)比，蘭炭在循環(huán)流化床鍋爐燃燒過程中爐內(nèi)溫度高于褐煤，且灰渣含碳量較高。蘭炭燃燒時(shí)SO2、NOx生成量都較低，但需要通過煙氣脫硝的手段滿足污染物排放要求。